光纤通信系统的概述

光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外，在应用中，光纤常按用途进行分类，可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种，而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，并常以某种功能器件的形式出现。

光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式，被称之为“有线”光通信。当今，光纤以其传输频带宽、抗干扰性高和信号衰减小，而远优于电缆、微波通信的传输，已成为世界通信中主要传输方式。

1966年英籍华人高锟(Charles Kao)发表论文提出用石英制作玻璃丝(光纤)，其损耗可达20dB/km，可实现大容量的光纤通信。当时，世界上只有少数人相信，如英国的标准电信实验室(STL)、美国的Corning玻璃公司，Bell实验室等领导。2009年高锟因发明光纤获得诺贝尔奖。1970年，Corning公司研制出损失低达20dB/km，长约30 m的石英光纤，据说花费了3000千万美元。1976年Bell实验室在华盛顿亚特兰大建立了一条实验线路，传输速率仅45Mb/s，只能传输数百路电话，而用中同轴电缆可传输1800路电话。因为当时尚无通信用的激光器，而是用发光二极管(LED)做光纤通信的光源，所以速率很低。1984年左右，通信用的半导体激光器研制成功，光纤通信的速率达到144Mb/s，可传输1920路电话。1992年一根光纤传输速率达到2.5Gb/s，相当3万余路电话。1996年，各种波长的激光器研制成功，可实现多波长多通道的光纤通信，即所谓“波分复用”(WDM)技术，也就是在1根光纤内，传输多个不同波长的光信号。于是光纤通信的传输容量倍增。在2000年，利用WDM技术，一根光纤光纤传输速率达到640Gb/s。有人对高锟1976年发明了光纤，而2010年才获得诺贝尔奖有很大的疑问。事实上，从以上光纤发展史可以看出，尽管光纤的容量很大，没有高速度的激光器和微电子仍不能发挥光纤超大容量的作用。电子器件的速率才达到吉比特/秒量级，各种波长的高速激光器的出现使光纤传输达到太比特/秒量级(1Tb/s=1000 Gb/s)，人们才认识到“光纤的发明引发了通信技术的一场革命!” 常规的光纤通信系统的主要组成部分是光纤、光源和光检测器。光纤包括单模和多模光纤，光源包括半导体激光器和发光二极管。中、长距离系统采用单模光纤和半导体激光器，新开发的高速系统用分布反馈（DFB）激光器，短距离系统可以采用多模光纤和发光二极管。

常规的光纤通信系统系指发送端对光源进行强度调制，接收端用光电检测器对收到的光信号进行直接检测（IM/DD）的系统，又称强度调制直接栓波光纤通信系统，它是90年代初实际使用主。其基本结构以2.488Gbit/s系统为例，如图2所示。

图的左方为发送端电的时分复用器，它把输入的155Mbit/s的数字信号复合为2.488Gbit/s的信号。该信号直接强度调制一只分布反馈激光器，再将已调光输出传送给单模光纤。图的右方先由光一电检测器把已调光直接检测，得出2.488Gbit/S的数字信号，再经时分解复器得出一组155Mbit/s的数字信号。

常规的光纤通信系统的中继设备如图3所示。

2.2 应用范围

光纤通信首先在电话局之间得到应用，构成光纤本地网，接着作为长途通信构成全国性的光纤网，它将成为宽带通信网的骨架。又发展海底光缆

系统作越洋通信或作短距离越岛、沿海岸等通信，著名的有横跨大西洋和太平洋的各海底光缆通信系统。例如1988年12月开始商用的最早一个横跨大西洋系统TAT—8，光缆里有3对光纤，2对使用，1对备用。每对信息率为280Mbit/s。全长6 700km，平均中继站间距为67knu波长1.3μm，采用常规的单模光纤。

各发达国家正在规划设计和建设光纤用户网，即光纤到户（FTTH）或光纤到马路边（FTTC）。其它的应用，如各种规模，在各种场合应用的光纤局域网等。 （1)通信容量大、传输距离远；一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。400Gbit/s系统已经投入商业使用。光纤的损耗极低，在光波长为1.55μm附近，石英光纤损耗可低于0.2dB/km，这比任何传输媒质的损耗都低。因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。

(2)信号干扰小、保密性能好；

(3）抗电磁干扰、传输质量佳，电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电磁干扰。

(4）光纤尺寸小、重量轻，便于铺设和运输；

(5）材料来源丰富，环境保护好，有利于节约有色金属铜。

(6）无辐射，难于窃听，因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外。

(7)光缆适应性强，寿命长。

(8）质地脆，机械强度差。

(9）光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。

(10）分路、耦合不灵活。

(11）光纤光缆的弯曲半径不能过小（>20cm）

(12）有供电困难问题。

利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式．由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光－光纤通信． 光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息．

随着信息技术传输速度日益更新，光纤技术已得到广泛的重视和应用。在多微机电梯系统中，光纤的应用充分满足了大量的数据通信正确、可靠、高速传输和处理的要求。光纤技术在电梯上的应用，大大提高了整个控制系统的反应速度，使电梯系统的并联群控性能有了明显提高。电梯上所使用的光纤通信装置主要由光源、光电接收器和光纤组成。 微机控制系统输出的信号为电信号，而光纤系统传输的是光信号，因此，为了把微机系统产生的电信号在光纤中传输，首先要把电信号转换为光信号。光源就是这样一种电光转换器件。

光源首先将电信号转换成光信号，再向光纤发送光信号。在光纤系统中，光源具有非常重要的地位。可作为光纤光源的有白炽灯、激光器和半导体光源等。半导体光源是利用半导体的 PN结将电能转换成光能的，常用的半导体光源有半导体发光二极管（LED）和激光二极管（LD） 。半导体光源因其体积小、重量轻、结构简单、使用方便、与光纤易于相容等优点，在光纤传输系统中得到了广泛的应用。 光纤是光信号的传输通道，是光纤通信的关键材料。

光纤由纤芯、包层、涂敷层及外套组成，是一个多层介质结构的对称圆柱体。纤芯的主体是二氧化硅，里面掺有微量的其它材料，用以提高材料的光折射率。纤芯外面有包层，包层与纤芯有不同的光折射率， 纤芯的光折射率较高， 用以保证光信号主要在纤芯里进行传输。 包层外面是一层涂料，主要用来增加光纤的机械强度，以使光纤不受外来损害。光纤的最外层是外套，也是起保护作用的。

光纤的两个主要特征是损耗和色散。损耗是光信号在单位长度上的衰减或损耗，用db/km表示，该参数关系到光信号的传输距离，损耗越大，传输距离越短。多微机电梯控制系统一般传输距离较短，因此为降低成本，大多选用塑料光纤。光纤的色散主要关系到脉冲展宽。 在三菱电梯控制系统中， 光纤通信主要用于群控与单梯间的数据传送及两台并联的单梯之间的数据传送。三菱电梯所用的光纤装置主要由光源、光接收器和光纤组成，其中光源和光接收器被封装在光纤接插件的定插头内，光纤与动插头相连。 发送：CPU 通过专用 IC芯片将并行数据串行化，并根据通信格式插入相应位码（起始、停止、校验位等） ，由输出端 TXD将信号送入光纤接插件（即定插头） ，再由光纤接插件中的光源进行电—光转换，转换后的光信号通过光纤动插头向光纤发送光信号，光信号在光纤中向前传播。

接收：来自光纤的光信号经光纤接插件的动插头，向定插头的接收器发送，接收器将接受到的光信号进行光—电还原，从而得到相应的电信号，该电 信号送入到专用的 IC 芯片的RXD输入端，经专用 IC芯片将串行数据改为并行数据后，再向 CPU传送。 光纤通信的应用领域是很广泛的，主要用于市话中继线，光纤通信的优点在这里可以充分发挥，逐步取代电缆，得到广泛应用。还用于长途干线通信过去主要靠电缆、微波、卫星通信，现以逐步使用光纤通信并形成了占全球优势的比特传输方法；用于全球通信网、各国的公共电信网（如中国的国家一级干线、各省二级干线和县以下的支线）；它还用于高质量彩色的电视传输、工业生产现场监视和调度、交通监视控制指挥、城镇有线电视网、共用天线（CATV）系统，用于光纤局域网和其他如在飞机内、飞船内、舰艇内、矿井下、电力部门、军事及有腐蚀和有辐射等中使用。

光纤传输系统主要由：光发送机、光接收机、光缆传输线路、光中继器和各种无源光器件构成。要实现通信，基带信号还必须经过电端机对信号进行处理后送到光纤传输系统完成通信过程。

它适合于光纤模拟通信系统中，而且也适用于光纤数字通信系统和数据通信系统。在光纤模拟通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、预调制等处理，而电信号反处理则是发端处理的逆过程，即解调、放大等处理。在光纤数字通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行放大、取样、量化，即脉冲编码调制（PCM ）和线路码型编码处理等，而电信号反处理也是发端的逆过程。对数据光纤通信，电信号处理主要包括对信号进行放大，和数字通信系统不同的是它不需要码型变换。

光纤通信是利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式（定义）。由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光-光纤通信。

光纤通讯（Fiber-optic communication）也作光纤通信,是指一种利用光与光纤（optical fiber）传递资讯的一种方式。属于有线通信的一种。光经过调变（modulation）后便能携带资讯。自1980年代起，光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性的作用，同时也在数位时代里扮演非常重要的角色。光纤通信具有传输容量大，保密性好等许多优点。光纤通信现在已经成为当今最主要的有线通信方式。将需传送的信息在发送端输入到发送机中，将信息叠加或调制到作为信息信号载体的载波上，然后将已调制的载波通过传输媒质传送到远处的接收端，由接收机解调出原来的信息。

根据信号调制方式的不同，光纤通信可以分为数字光纤通信，模拟光纤通信。光纤通信的产业包括了光纤光缆，光器件，光设备，光通信仪表，光通信集成电路等多个领域。

利用光纤做为通讯之用通常需经过下列几个步骤：

以发射器（transmitter）产生光讯号。

以光纤传递讯号，同时必须确保光讯号在光纤中不会衰减或是严重变形。

以接收器（receiver）接收光讯号，并且转换成电讯号。

光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。

现代的光纤通讯系统多半包括一个发射器，将电讯号转换成光讯号，再透过光纤将光讯号传递。光纤多半埋在地下，连接不同的建筑物。系统中还包括数种光放大器，以及一个光接收器将光讯号转换回电讯号。在光纤通讯系统中传递的多半是数位讯号，来源包括电脑、电话系统，或是有线电视系统。

发射器

在光纤通讯系统中通常作为光源的半导体元件是发光二极管（light-emitting diode, LED）或是雷射二极管（laser diode）。LED与雷射二极管的主要差异在于前者所发出的光为非同调性（noncoherent），而后者则为同调性（coherent）的光。使用半导体作为光源的好处是体积小、发光效率高、可靠度佳，以及可以将波长最佳化，更重要的是半导体光源可以在高频 *** 作下直接调变，非常适合光纤通讯系统的需求。

LED借着电激发光（electroluminescence）的原理发出非同调性的光，频谱通常分散在30纳米至60纳米间。LED另外一项缺点是发光效率差，通常只有输入功率的1%可以转换成光功率，约是100毫瓦特（micro-watt）左右。但是由于LED的成本较低廉，因此常用于低价的应用中。常用于光通讯的LED主要材料是砷化镓或是砷化镓磷（GaAsP），后者的发光波长为1300纳米左右，比砷化镓的810纳米至870纳米更适合用在光纤通讯。由于LED的频谱范围较广，导致色散较为严重，也限制了其传输速率与传输距离的乘积。LED通常用在传输速率10Mb/s至100Mb/s的局域网路（local area network, LAN），传输距离也在数公里之内。目前也有LED内包含了数个量子井（quantum well）的结构，使得LED可以发出不同波长的光，涵盖较宽的频谱，这种LED被广泛应用在区域性的波长分波多工网络中。

半导体雷射的输出功率通常在100微瓦特（mW）左右，而且为同调性质的光源，方向性相对而言较强，通常和单模光纤的耦合效率可达50%。雷射的输出频谱较窄，也有助于增加传输速率以及降低模态色散（model dispersion）。半导体雷射亦可在相当高的 *** 作频率下进行调变，原因是其复合时间（recombination time）非常短。

半导体雷射通常可由输入的电流有无直接调变其开关状态与输出讯号，不过对于某些传输速率非常高或是传输距离很长的应用，雷射光源可能会以连续波（continuous wave）的形式控制，例如使用外接的电吸收光调变器（electroabsorption modulator）或是马赫·任德干涉仪（Mach-Zehnder interferometer）对光讯号加以调变。外接的调变元件可以大幅减少雷射的“啁啾脉冲”（chirp pulse）。啁啾脉冲会使得雷射的谱线宽度变宽，使得光纤内的色散变得严重。

光导纤维

光纤缆线包含一个核心（core），纤壳（cladding）以及外层的保护被覆（protective coating）。核心与折射率（refractive index）较高的纤壳通常用高品质的硅石玻璃（silica glass）制成，但是现在也有使用塑胶作为材质的光纤。又因为光纤的外层有经过紫外线固化后的压克力（acrylate）被覆，可以如铜缆一样埋藏于地下，不需要太多维护费用。然而，如果光纤被弯折的太过剧烈，仍然有折断的危险。而且因为光纤两端连接需要十分精密的校准，所以折断的光纤也难以重新接合。

光放大器

过去光纤通讯的距离限制主要根源于讯号在光纤内的衰减以及讯号变形，而解决的方式是利用光电转换的中继器。这种中继器先将光讯号转回电讯号放大后再转换成较强的光讯号传往下一个中继器，然而这样的系统架构无疑较为复杂，不适用于新一代的波长分波多工技术，同时每隔20公里就需要一个中继器，让整个系统的成本也难以降低。

光放大器的目的即是在不用作光电与电光转换下就直接放大光讯号。光放大器的原理是在一段光纤内掺杂（doping）稀土族元素（rare-earth）如铒（erbium），再以短波长雷射激发（pumping）之。如此便能放大光讯号，取代中继器。

接收器

构成光接收器的主要元件是光侦测器（photodetector），利用光电效应将入射的光讯号转为电讯号。光侦测器通常是半导体为基础的光二极管（photo diode），例如p-n接面二极管、p-i-n二极管，或是雪崩型二极管（avalanche diode）。另外“金属-半导体-金属”（Metal-Semiconductor-Metal, MSM）光侦测器也因为与电路整合性佳，而被应用在光再生器（regenerator）或是波长分波多工器中。

光接收器电路通常使用转阻放大器（transimpedence amplifier, TIA）以及限幅放大器（limiting amplifier）处理由光侦测器转换出的光电流，转阻放大器和限幅放大器可以将光电流转换成振幅较小的电压讯号，再透过后端的比较器（comparator）电路转换成数位讯号。对于高速光纤通讯系统而言，讯号常常相对地衰减较为严重，为了避免接收器电路输出的数位讯号变形超出规格，通常在接收器电路的后级也会加上时脉恢复电路（clock recovery, CDR）以及锁相回路（phase-lock loop, PLL）将讯号做适度处理再输出。

波长分波多工

波长分波多工的实际做法就是将光纤的工作波长分割成多个通道（channel），俾使能在同一条光纤内传输更大量的资料。一个完整的波长分波多工系统分为发射端的波长分波多工器（wavelength division multiplexer）以及在接收端的波长分波解多工器（wavelength division demultiplexer），最常用于波长分波多工系统的元件是阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Gratings, AWG）。而目前市面上已经有商用的波长分波多工器/解多工器，最多可将光纤通讯系统划分成80个通道，也使得资料传输的速率一下子就突破Tb/s的等级。

带宽距离乘积

由于传输距离越远，光纤内的色散现象就越严重，影响讯号品质。因此常用于评估光纤通讯系统的一项指标就是带宽-距离乘积，单位是百万赫兹×公里（MHz×km）。使用这两个值的乘积做为指标的原因是通常这两个值不会同时变好，而必须有所取舍（trade off）。举例而言，一个常见的多模光纤（multi-mode fiber）系统的带宽-距离乘积约是500MHz×km，代表这个系统在一公里内的讯号带宽可以到500MHz，而如果距离缩短至0.5公里时，带宽则可以倍增到1000MHz。 -亚都光纤通信科技

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